基于密度法測量原油含水率的檢測儀設(shè)計

摘要：針對長慶油田油井的實際工況，根據(jù)密度法測量石油含水率原理，設(shè)計了一種檢測井口外輸原油混合液密度的檢測儀，并對該測量方法進(jìn)行了誤差分析，評估了該測量儀所適用的范圍。實踐證明，該測量儀既能動態(tài)地實時測量，又能靜態(tài)地實現(xiàn)取樣測量外輸原油含水率。
關(guān)鍵詞：密度法測量；石油含水率；檢測儀；誤差分析

石油在開采、集輸、計量、煉化等過程中，都要求檢測石油的含水率。石油含水率的檢測，對于確定油井出水、出油層位、估計原油產(chǎn)量、預(yù)測油井的開發(fā)壽命等，都具有很重要的意義。及時準(zhǔn)確地原油含水率檢測數(shù)據(jù)，不僅能夠反映出油井的工作狀態(tài)，而且對管理部門減少能耗，降低成本，實現(xiàn)油田自動化管理也起著重要的作用。近幾年，國內(nèi)外已先后采用電容、超聲波、微波、短波等方式，開發(fā)出了各種各樣的石油含水率檢測儀器。但由于現(xiàn)場工況復(fù)雜，這些測量儀器開發(fā)時缺乏針對性，開發(fā)過程與用戶現(xiàn)場沒有很好地結(jié)合，現(xiàn)場服務(wù)也不會及時，使得這些檢測儀器距離實際應(yīng)用還存在著不少差距。本文根據(jù)密度法測量原理，針對長慶油田油井的實際工況，研發(fā)了一種能夠符合三級計量標(biāo)準(zhǔn)的原油含水率檢測裝置。該裝置主要用于在線測量油井口外輸石油的含水率，可以極大地提高測量效率，有效地減輕勞動強(qiáng)度。

1 石油含水率的數(shù)學(xué)模型
通過采油樹從井口出來的原油，屬油、水、氣三相混合液體。當(dāng)原油通過井口降回壓裝置、過濾罐進(jìn)入油槽內(nèi)時，由于經(jīng)過兩次除砂、除氣過濾，油槽內(nèi)的混合液就可以忽略氣體的存在而成為油、水兩相混合液，據(jù)此即可建立石油含水率的數(shù)學(xué)模型。
設(shè)含水原油的體積為V，密度為ρ，含水原油中純油的體積為Vo，密度為ρo，質(zhì)量為Mo，水的體積為Vw，密度為ρw，質(zhì)量為Mw。于是有：

由上兩式可見，由于純油和純水的密度ρo和ρw一般為常數(shù)，原油含水率與其密度ρ呈線性關(guān)系。因此，只要測得含水原油密度ρ，即可求出原油體積含水率和質(zhì)量含水率。

2 測量儀硬件設(shè)計
2．1 測量儀系統(tǒng)原理圖
根據(jù)密度法測量石油含水率原理，該測量儀系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1中，AT89S52單片機(jī)是一種低功耗、高性能8位COMS微控器，具有8 KB的FLASH存貯器，256 B RAM，32位I／O口線，1個看門狗定時器等；ICL7135是一種4位半高精度雙積分A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)果采用動態(tài)字位掃描BCD碼輸出，其在單極性下，最高時鐘頻率為1 MHz時，轉(zhuǎn)換速率為25次／s，對三個傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：壓力傳感器的精度等級為1‰，量程為0～5 kPa；液位傳感器的精度等級為1‰，量程為0～500 mm；溫度傳感器精確度為1℃。
整個系統(tǒng)通過單片機(jī)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算處理，三個傳感器分別對原油的壓力、液位、溫度檢測，并經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的BCD碼輸入到單片機(jī)，單片機(jī)按照程序設(shè)定好的數(shù)學(xué)模型計量出原油體積含水率和質(zhì)量含水率后送液晶屏顯示或打印機(jī)打印。另外通過鍵盤可輸入系統(tǒng)參數(shù)和顯示畫面切換。
2．2 測量方法的實現(xiàn)
根據(jù)油田油井上的實際應(yīng)用情況，該測量裝置安裝在井口降回壓裝置上，即將壓力傳感器和液位傳感器分別安裝在降回壓裝置上一個500 mm×800 mm×500 mm的長方體槽內(nèi)底部，如圖2所示。